Extensional rheology and electric field control: strategies for electrospinning scale-up

Résumé

Les nanofibres polymériques connaissent un intérêt croissant pour la filtration, les capteurs et les applications biomédicales. L’électrofilage constitue une méthode polyvalente pour produire de telles fibres avec une morphologie contrôlée, mais son passage à des échelles de production plus larges demeure limité par une productivité intrinsèquement faible. Une simple augmentation du débit d’alimentation entraîne une dégradation de la morphologie des fibres, ce qui montre que la mise à l’échelle exige de nouvelles stratégies. Cette thèse s’attaque à deux défis majeurs : l’adaptation des propriétés rhéologiques des solutions polymériques afin d’optimiser la formation des fibres, et la réduction des non-uniformités du champ électrique dans les systèmes multi-aiguilles, responsables de la déstabilisation des jets et de la baisse de qualité des fibres obtenues. La première voie de recherche porte sur la rhéologie. Un rhéomètre à bris capillaire en extension (CaBER) a été conçu sur mesure pour caractériser des solutions viscoélastiques de faible viscosité adaptées à l’électrofilage. Des expériences menées sous humidité contrôlée, appuyées par un modèle évaporation–diffusion, ont montré que l’évaporation du solvant influence fortement la dynamique d’amincissement du filament, allongeant artificiellement le temps de relaxation mesuré par un durcissement en traction induit par l’évaporation. Des études systématiques sur la distribution des masses molaires ont révélé que la fraction de chaînes longues détermine l’élasticité en extension des solutions et la morphologie des fibres électrofilées. De plus, le « dopage élastique », obtenu par l’ajout d’une fraction infime de polymère de masse molaire élevée, a permis la formation de fibres à partir d’une matrice de faible masse molaire autrement non filable, conduisant également à un quintuplement du débit de polymère tout en préservant la qualité des fibres. La seconde voie de recherche concerne la mise à l’échelle par électrofilage multi-aiguilles. Une configuration linéaire de vingt aiguilles a été étudiée, et des plaques parallèles utilisées comme électrodes auxiliaires ont été introduites pour homogénéiser le champ électrique. Il a été démontré par simulations par éléments finis et par expériences que cette approche stabilise les trajectoires des jets, uniformise le dépôt des fibres et permet un contrôle précis de l’épaisseur des membranes. Cette configuration a permis d’augmenter par un facteur vingt le taux de production tout en maintenant une qualité de fibres comparable à celle obtenue par électrofilage à aiguille unique. Dans l’ensemble, ces travaux démontrent que la combinaison du contrôle rhéologique des formulations polymériques et de l’optimisation du champ électrique constitue une approche efficace pour la mise à l’échelle de la production de nanofibres. Cette recherche contribue à faire progresser l’électrofilage des études de laboratoire vers des débits compatibles avec les besoins industriels.

Date	20 nov. 2025
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Nicole R. Demarquette (Directeur(-trice)) & Ricardo J. Zednik (Codirecteur(-trice))